综述：基于生物炭的透水反应屏障在环境修复中的应用：一项批判性综述

《Journal of Environmental Management》：Application of biochar-based permeable reactive barriers in environmental remediation: A critical review

　　刘畅|车瑞杰|董中天|华静|徐宁|朱一宁|王凤和|张胜天
南京科技大学化学与化学工程学院，南京，210094，中华人民共和国

摘要
地下水污染已成为一个日益严重的全球性挑战。传统的原位修复技术通常存在能耗高、易引发二次污染以及处理周期长的问题。渗透反应屏障（Permeable Reactive Bars, PRBs）作为一种被动且低能耗的原位修复技术，具有独特的优势。其中，基于生物炭的渗透反应屏障（Biochar-based Permeable Reactive Bars, BC-PRBs）因生物炭原材料的广泛可用性、低成本和高吸附能力而受到广泛关注。本文系统评估了BC-PRBs在环境修复方面的研究进展，包括生物炭制备、改性策略及其与惰性骨架材料的协同耦合机制。生物炭的最佳热解温度通常在中高范围（600-800°C），在此温度下其比表面积可达600-1000 m2/g。通过适当的介质比例，复合介质可以实现吸附性能和水力传导性的良好平衡。工程案例研究表明，在0.2-0.3 m/d的控制水力停留时间内，采用优化的级配介质，BC-PRBs对有机污染物和重金属的去除效率可超过99%，且建造成本显著低于基于活性炭的系统。尽管取得了这些有希望的结果，但长期运行仍面临介质老化、渗透性下降以及中间副产物带来的风险。未来的研究应聚焦于开发抗老化的生物炭改性材料，集成智能监测系统以实现运行参数的实时控制，并建立标准化设计框架以支持该技术的大规模应用。通过克服这些瓶颈，BC-PRBs有望成为一种稳健且可持续的原位地下水修复方案。

引言
地下水是一种关键的全球性淡水资源，供应了40%的灌溉用水，并作为数十亿人的主要饮用水来源，同时维持着河流、湿地和其他水生生态系统的稳定（Jasechko等人，2024；Kuang等人，2024）。然而，城市扩张、集约化农业和工业化导致了广泛的地下水污染。在威斯康星州的农业区，浅层地下水中的硝酸盐渗透已超过市政水质安全标准（Stokdyk等人，2025）。在印度的Gaya地区，58%的地下水样本中铁含量超标，46%的样本存在镍的致癌风险（Kumar和Maurya，2025）。污染改变了地下水的化学性质，破坏了物质循环，减少了水生生物多样性，并通过饮用水和皮肤接触威胁人类健康。埃及Minya地区的研究表明，重金属浓度与这些健康风险之间存在强烈的正相关关系（Abdelhalim等人，2023）。

传统的原位修复方法包括物理、化学和生物方法，如人工曝气、化学氧化还原和微生物修复。然而，每种方法都有其局限性。物理修复耗能高且对低浓度污染效率低下（Wang等人，2024）；化学修复常常因试剂分布不均而引发二次污染（Xie等人，2025）；生物修复仅适用于浅层污染，需要多年才能完成（Gibert等人，2007）。传统的原位修复技术难以在修复效率、成本控制和环境兼容性之间取得平衡，尤其是在处理深层和复杂污染时效果尤为有限。

渗透反应屏障（PRBs）是沿地下水流动路径安装的填充有反应性介质的墙体（用于去除污染物的反应填料）。当地下水在自然水力梯度作用下流动时，反应性介质通过物理吸附、化学转化和生物降解去除污染物，将其转化为环境可接受的形式或将其困在屏障中以处理或隔离污染羽流（Sakr等人，2023）。与传统原位修复技术相比，PRBs的核心优势在于其被动运行模式（最小化能耗）、适用于深层污染、实施过程中的环境干扰小以及适用于多种污染物（Fardin和Jamshidi-Zanjani，2025；Lawrinenko等人，2025）。这些特点弥补了传统技术的不足。

传统的PRB填充介质包括零价铁（ZVI）、沸石和活性炭（AC）（Zhang等人，2022）。近年来，基于生物炭的PRB（BC-PRB）越来越多地应用于受污染地下水的修复。生物炭是一种多孔碳基材料，通过在限氧条件下热解生物质制成（Li等人，2023）。生物炭的原料来源广泛，主要来自农业废弃物、木材、活性污泥和动物粪便（Duan等人，2020）。由于其高比表面积、丰富的表面官能团和环保特性，生物炭在污染场地修复中得到广泛应用（Muema等人，2024）。作为PRB介质，生物炭具有高吸附能力、低成本和良好的兼容性（Choudhury等人，2025）。其多孔结构确保了孔隙率和渗透性，有效防止了污染物绕过PRBs（Amoakwah等人，2017；Klammler和Hatfield，2008；Reddy等人，2015），使其成为有前景的PRB填充材料。

欧洲和美国凭借在技术研发和工程实践方面的先发优势，成为PRB技术的主要发源地和应用中心。北美和欧洲实施了数百个大规模PRB项目，早期以ZVI和沸石等传统介质为主（Sánchez Hidalgo等人，2025）。BC-PRB仅在过去十年才逐渐成为研究和工程升级的核心方向（Fang等人，2025）。在亚太地区，由于快速的城市化和工业化，复杂的地下水污染问题日益突出，使得修复市场需求持续增长。中国和韩国等依靠当地生物质资源优势，将BC-PRB视为低成本原位修复技术的重要研发方向，并开发了多个本地化工程案例（Liu C.等人，2024；Yoon等人，2017）。相比之下，大多数发展中国家受限于技术研发能力有限、项目资金不足和缺乏场地水文地质数据等因素，仍主要采用传统的物理和化学方法进行地下水修复（O'Brien等人，2021）。BC-PRB因其低成本、原料易获取以及操作和维护简便的特点，成为适合其污染控制需求的潜在技术，也是全球环境修复技术包容性发展的重要方向。

本文以Web of Science Core Collection作为核心文献检索数据库，检索时间范围为2015-2025年，使用“permeable”、“barrier”、“biochar”、“in situ”和“groundwater remediation”作为关键词进行主题搜索。随后根据主题相关性、研究创新性和工程应用价值对文献进行筛选和整理，明确了本文的分析范围和文献基础。近年来，关于BC-PRBs的文献数量显著增加，从2015年的4篇增加到2025年的96篇。特别是自2022年以来，相关研究的发表量逐年大幅上升，吸引了更多研究人员的关注。这些研究涵盖了材料科学、环境科学、水文地质学和生物学等多个领域（图1）。

本文系统回顾了基于生物炭的介质的制备过程、改性技术和复合系统构建原理，明确了性能调控途径。提出了优化策略以解决工程实践中的核心瓶颈，为该技术的工业化提供了理论和实践支持（技术工作流程见图2）。虽然现有综述有效总结了生物炭的制备和一般应用，但在将材料层面的进展转化为实际工程设计和场地特定决策方面仍存在关键差距。以往的研究往往将生物炭的性质、水力性能和场地地质化学视为独立领域。为解决这一分割问题，本文提供了三项知识贡献：
(a) 区域化差异化调控框架：我们归纳了一种决策逻辑，将特定的改性策略与目标水文地质情景相匹配，超越了通用的“最佳材料”建议，走向场地适应性设计。
(b) 定量多维度性能基准：通过整合和规范实验室、试点和现场尺度的数据，我们直接对比了BC-PRBs与传统系统在反应动力学、水力演化和生命周期成本方面的差异，为工程权衡分析提供了参考。
(c) 生物炭-惰性骨架的机制耦合模型：我们阐明了惰性骨架的协同作用，不仅作为物理支撑，还作为水力停留时间和质量传递的主动调节器，从而解决了高吸附容量与渗透性损失之间的历史矛盾。

总体而言，这些贡献旨在构建一个可重复使用的分析框架，将微观材料设计与宏观工程寿命联系起来。

**材料选择与影响因素**
生物质类型通过其组成、结构和元素形态决定了最终生物炭的性能（Armanu等人，2024）。传统生物炭原料可分为植物基、污泥基和动物基类型（Yu等人，2025）。制备的生物炭的物理化学性质详见表1。植物基原料具有高碳含量和低灰分含量，热解后形成的生物炭具有高度发达的孔隙结构（图1）。

**BC-PRB技术的工程结构选择**
基于污染场地的的水文地质条件进行有针对性的设计。其空间布局通常遵循地下水流动场的动态特征，平面布置垂直于地下水流动方向，位于污染羽流的下游拦截区（Gupta和Fox，1999）。根据结构差异，PRBs可分为连续反应屏障（Continuous Reactive Barrier, CPRB）和...

**BC-PRB与传统修复技术的比较**
从表5可以看出，BC-PRB在技术优势、成本效益和应用适应性方面优于传统地下水修复技术。在修复效率方面，BC-PRB对某些特定污染物的去除性能显著优于某些传统PRB介质。例如，在针对2,4,6-三氯苯酚（2,4,6-TCP）的实验室研究中，与海藻酸钙（CA）耦合的BC-PRB系统表现出更好的去除效果（图2）。

**BC-PRB的工程实践案例**
依靠生物炭的吸附性能、碳源供应能力和与其他材料的协同效应，BC-PRB在各种类型的污染场地修复中展示了针对性的修复效果，其修复机制很好地适应了不同类型的场地污染物。对于抗生素和氯化烃等有机污染物，生物炭-渗透反应屏障（BC-PRBs）的修复机制通常涉及初始...

**结论与展望**
BC-PRB是一种高效的原位地下水修复技术，具有生物炭的低成本、环保性、高吸附性和渗透性。在材料层面，通过原料选择、热解过程控制、化学/物理/微生物改性以及与惰性材料的耦合，实现了吸附性能、结构稳定性和渗透性的协同优化。在设计层面，提出了两种配置（连续反应墙和漏斗门）...

**作者贡献声明**
刘畅：撰写——原始草稿。车瑞杰：资源提供。董中天：方法论。华静：软件支持。徐宁：撰写——审稿与编辑。朱一宁：撰写——审稿与编辑。王凤和：形式分析。张胜天：概念化。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了泰山产业专家计划（编号tscx.202408047）、中国政府基础科学研究运营专项基金（编号GYZX250205）以及京津冀区域环境综合治理国家科技重大项目（编号2025ZD1205901）的支持。